Jak funguje tranzistor. Co je to tranzistor - typy polovodičových součástek a způsoby ověřování

Tranzistor je polovodičové zařízení, které může zesilovat, převádět a generovat elektrické signály. První funkční bipolární tranzistor byl vynalezen v roce 1947. Jako materiál pro jeho výrobu sloužilo germanium. A již v roce 1956 se zrodil křemíkový tranzistor.

V bipolárním tranzistoru se používají dva typy nosičů náboje - elektrony a díry, proto se takové tranzistory nazývají bipolární. Kromě bipolárních existují unipolární (polní) tranzistory, které využívají pouze jeden typ nosiče – elektrony nebo díry. Tento článek se bude týkat.

Většina křemíkových tranzistorů je n-p-n, což je dáno i technologií výroby, i když existují i ​​křemíkové tranzistory. typ pnp, ale jsou o něco méně než n-p-n struktur. Takové tranzistory se používají jako součást komplementárních párů (tranzistory různé vodivosti se stejnými elektrickými parametry). Například KT315 a KT361, KT815 a KT814 a v koncových stupních tranzistoru UMZCH KT819 a KT818. V importované zesilovače velmi často se používá výkonný komplementární pár 2SA1943 a 2SC5200.

Tranzistory se strukturou p-n-p se často nazývají tranzistory s přímým vedením a struktury n-p-n obráceně. Z nějakého důvodu se tento název v literatuře téměř nikdy nenachází, ale v kruhu radiotechniků a radioamatérů se používá všude, každý hned pochopí, o co jde. Obrázek 1 ukazuje schematické zařízení tranzistorů a jejich konvenční grafické symboly.

Obrázek 1.

Kromě rozdílů v typu vodivosti a materiálu jsou bipolární tranzistory klasifikovány podle výkonu a pracovní frekvence. Pokud ztrátový výkon na tranzistoru nepřesáhne 0,3 W, je takový tranzistor považován za nízkopříkonový. S výkonem 0,3 ... 3 W se tranzistor nazývá tranzistor střední výkon a při výkonu větším než 3 W je výkon považován za velký. Moderní tranzistory jsou schopny rozptýlit výkon několika desítek až stovek wattů.

Tranzistory zesilují elektrické signály ne stejně dobře: s rostoucí frekvencí zesilování tranzistorového stupně klesá a při určité frekvenci se úplně zastaví. Proto se pro provoz v širokém frekvenčním rozsahu vyrábějí tranzistory s různými frekvenčními vlastnostmi.

Podle pracovní frekvence jsou tranzistory rozděleny na nízkofrekvenční - pracovní frekvence není větší než 3 MHz, střední frekvence - 3 ... 30 MHz, vysokofrekvenční - přes 30 MHz. Pokud pracovní frekvence přesahuje 300 MHz, jedná se již o mikrovlnné tranzistory.

Obecně je ve seriózních tlustých referenčních knihách uvedeno více než 100 různých parametrů tranzistorů, což také naznačuje obrovské množství modelů. A počet moderních tranzistorů je takový, že je již není možné uvést v plném rozsahu v žádné referenční knize. A sestava se neustále zvyšuje, což umožňuje vyřešit téměř všechny úkoly stanovené vývojáři.

Je jich mnoho tranzistorové obvody(jen si vzpomeňte na množství alespoň domácího vybavení) pro zesilování a konverzi elektrických signálů, ale se vší rozmanitostí se tyto obvody skládají ze samostatných stupňů, jejichž základem jsou tranzistory. Pro dosažení požadovaného zesílení signálu je nutné použít několik zesilovacích stupňů zapojených do série. Abyste pochopili, jak fungují zesilovací stupně, musíte se blíže seznámit s tranzistorovými spínacími obvody.

Tranzistor sám o sobě nebude schopen nic zesílit. Jeho zesilovací vlastnosti spočívají v malých změnách vstupní signál(proud nebo napětí) vedou k významným změnám napětí nebo proudu na výstupu stupně v důsledku výdeje energie z vnější zdroj. Tato vlastnost je široce používána v analogové obvody, - zesilovače, televize, rádio, komunikace atd.

Pro zjednodušení prezentace zde budou uvažovány obvody založené na tranzistorech struktury n-p-n. Vše, co bude řečeno o těchto tranzistorech, platí stejně p-n-p tranzistory. Stačí pouze přepólovat napájecí zdroje a případně získat pracovní obvod.

Celkem existují tři taková schémata: schéma s společný emitor(OE), obvod se společným kolektorem (OK) a obvod se společnou bází (OB). Všechna tato schémata jsou znázorněna na obrázku 2.

Obrázek 2

Než však přistoupíte k úvahám o těchto obvodech, měli byste se seznámit s tím, jak tranzistor funguje v režimu klíče. Tento úvod by měl usnadnit pochopení v režimu zesílení. V určitém smyslu lze klíčový obvod považovat za druh obvodu s OE.

Tranzistorový provoz v režimu klíče

Před studiem činnosti tranzistoru v režimu zesílení signálu je třeba si uvědomit, že tranzistory se často používají v klíčovém režimu.

Tento způsob činnosti tranzistoru byl uvažován již dlouhou dobu. V srpnovém čísle časopisu „Radio“ v roce 1959 vyšel článek G. Lavrova „Polovodičová trioda v klíčovém režimu“. Autor článku navrhl změnit dobu trvání impulsů v řídicím vinutí (OC). Nyní se tento způsob regulace nazývá PWM a používá se poměrně často. Schéma z tehdejšího časopisu je na obrázku 3.

Obrázek 3

Ale klíčový režim se používá nejen v PWM systémech. Tranzistor často prostě něco zapne a vypne.

V tomto případě lze jako zátěž použít relé: je aplikován vstupní signál - relé je zapnuto, ne - signál relé je vypnutý. V režimu klíče se místo relé často používají žárovky. Obvykle se to dělá pro indikaci: žárovka je buď zapnutá nebo vypnutá. Schéma takového klíčového stupně je znázorněno na obrázku 4. Klíčové stupně se také používají pro práci s LED nebo s optočleny.

Obrázek 4

Na obrázku je kaskáda řízena běžný kontakt, i když se může jednat o digitální čip nebo . Autožárovka, ta se používá k osvětlení palubní desky v Zhiguli. Je třeba věnovat pozornost tomu, že pro ovládání se používá 5V a napětí spínaného kolektoru je 12V.

Na tom není nic divného, ​​protože napětí v tomto obvodu nehraje žádnou roli, záleží pouze na proudech. Žárovka tedy může být alespoň 220V, pokud je tranzistor navržen pro provoz na taková napětí. Napětí zdroje kolektoru musí také odpovídat provoznímu napětí zátěže. Pomocí takových kaskád je zátěž připojena k digitálním mikroobvodům nebo mikrokontrolérům.

V tomto schématu základní proud řídí kolektorový proud, který je v důsledku energie zdroje energie několik desítek nebo dokonce stovekkrát vyšší (v závislosti na zatížení kolektoru) než proud báze. Je snadné vidět, že dochází ke zvýšení proudu. Když tranzistor pracuje v režimu klíče, obvykle se používá k výpočtu kaskády podle hodnoty nazývané v referenčních knihách "proudové zesílení v režimu velkého signálu" - v referenčních knihách je označeno písmenem β. To je poměr kolektorového proudu, určený zátěží, k minimálnímu možnému proudu báze. Tak jako matematický vzorec vypadá to takto: β = Ik / Ib.

U většiny moderních tranzistorů je koeficient β poměrně velký, zpravidla od 50 a výše, proto při výpočtu klíčového stupně může být vzat roven pouze 10. I když se základní proud ukáže být větší než vypočítaný, tranzistor se kvůli tomu více neotevře, pak je to klíčový režim.

Pro rozsvícení žárovky znázorněné na obrázku 3, Ib \u003d Ik / β \u003d 100 mA / 10 \u003d 10 mA, je to nejméně. Při řídicím napětí 5V na základním rezistoru Rb, mínus úbytek napětí v sekci B-E, zůstane 5V - 0,6V = 4,4V. Odpor základního odporu bude: 4,4V / 10mA = 440 ohmů. Ze standardní řady je vybrán rezistor s odporem 430 ohmů. Napětí 0,6V je napětí na B-E přechodu a na to byste při výpočtu neměli zapomínat!

Aby báze tranzistoru nezůstala při rozepnutí ovládacího kontaktu „viset ve vzduchu“, bývá přechod B-E šmrncován odporem Rbe, který tranzistor spolehlivě uzavře. Na tento rezistor by se nemělo zapomínat, i když z nějakého důvodu v některých obvodech není, což může vést k falešné činnosti šumového stupně. Ve skutečnosti o tomto odporu věděli všichni, ale z nějakého důvodu zapomněli a znovu šlápli na „hráb“.

Hodnota tohoto odporu musí být taková, aby při rozepnutí kontaktu nebylo napětí na bázi menší než 0,6V, jinak bude kaskáda neovladatelná, jako by byl B-E úsek jednoduše zkratován. V praxi je rezistor Rbe nastaven na nominální hodnotu asi desetkrát větší než Rb. Ale i když je hodnota Rb 10Kom, obvod bude fungovat celkem spolehlivě: potenciály báze a emitoru se budou rovnat, což povede k uzavření tranzistoru.

Taková klíčová kaskáda, pokud je v dobrém stavu, dokáže rozsvítit žárovku na plné žhavení, nebo ji úplně vypnout. V tomto případě může být tranzistor plně zapnutý (stav nasycení) nebo zcela uzavřený (stav cutoff). Okamžitě sám o sobě napovídá závěr, že mezi těmito „hraničními“ stavy existuje něco takového, kdy žárovka svítí napůl. Je v tomto případě tranzistor napůl otevřený nebo napůl uzavřený? Je to jako naplnění sklenice: optimista ji vidí jako poloplnou, zatímco pesimista ji vidí poloprázdnou. Tento režim činnosti tranzistoru se nazývá zesilovací nebo lineární.

Tranzistorový provoz v režimu zesílení signálu

Téměř všechny moderní elektronika sestává z mikroobvodů, ve kterých jsou „skryty“ tranzistory. Stačí jen zvolit režim provozu operační zesilovač abyste získali požadovaný zisk nebo šířku pásma. Navzdory tomu se však často používají kaskády na diskrétních („volných“) tranzistorech, a proto je pochopení činnosti zesilovací kaskády prostě nezbytné.

Nejběžnějším zapojením tranzistoru oproti OK a OB je obvod se společným emitorem (CE). Důvodem této prevalence je především vysoké napětí a proudové zesílení. Nejvyšší zisk OE stupně je poskytován, když polovina napětí napájecího zdroje Epit/2 poklesne na zátěži kolektoru. Podle toho připadá druhá polovina sekce K-E tranzistor. Toho je dosaženo nastavením kaskády, která bude popsána níže. Tento způsob zesílení se nazývá třída A.

Když je tranzistor s OE zapnutý, výstupní signál na kolektoru je v protifázi se vstupním signálem. Jako nevýhody lze poznamenat, že vstupní odpor OE je malý (ne více než několik stovek ohmů) a výstupní odpor je v rozmezí desítek kΩ.

Pokud je ve spínacím režimu tranzistor charakterizován proudovým zesílením v režimu velkého signálu β, pak se v režimu zesílení použije "proudové zesílení v režimu malého signálu", označené v referenčních knihách h21e. Toto označení vzešlo ze znázornění tranzistoru ve formě čtyřpólu. Písmeno „e“ označuje, že měření byla provedena při zapnutém tranzistoru se společným emitorem.

Koeficient h21e je zpravidla o něco větší než β, i když jej lze také použít ve výpočtech v první aproximaci. Přesto je rozptyl parametrů β a h21e i pro jeden typ tranzistoru tak velký, že výpočty jsou pouze přibližné. Po takových výpočtech je zpravidla nutné upravit schéma.

Zesílení tranzistoru závisí na tloušťce báze, nelze jej tedy měnit. Z toho plyne velké kolísání zisku tranzistorů odebraných dokonce z jedné krabičky (čti jedna šarže). U tranzistorů s nízkým výkonem se tento koeficient pohybuje od 100 ... 1 000 a u výkonných je to 5 ... 200. Čím tenčí základna, tím vyšší koeficient.

Nejjednodušší obvod pro zapínání OE tranzistoru je na obrázku 5. Toto je jen malý kousek z obrázku 2, znázorněný v druhé části článku. Takový obvod se nazývá obvod s pevným základním proudem.

Obrázek 5

Schéma je extrémně jednoduché. Vstupní signál je přiveden na bázi tranzistoru přes oddělovací kondenzátor C1 a po zesílení je odebírán z kolektoru tranzistoru přes kondenzátor C2. Účelem kondenzátorů je chránit vstupní obvody z konstantní složky vstupního signálu (stačí si vzpomenout na uhlíkový nebo elektretový mikrofon) a zajistit potřebnou šířku pásma kaskády.

Rezistor R2 je zátěž kolektoru stupně a R1 dodává stejnosměrné předpětí do základny. S pomocí tohoto odporu se snaží, aby napětí na kolektoru bylo Epit / 2. Tento stav se nazývá pracovní bod tranzistoru, v tomto případě je zesílení kaskády maximální.

Přibližně odpor rezistoru R1 lze určit jednoduchým vzorcem R1 ≈ R2 * h21e / 1,5 ... 1,8. Koeficient 1,5…1,8 je nahrazen v závislosti na napájecím napětí: při nízkém napětí (ne více než 9V) není hodnota koeficientu větší než 1,5 a od 50V se blíží 1,8…2,0. Ale ve skutečnosti je vzorec tak přibližný, že nejčastěji musí být zvolen rezistor R1, jinak nebude dosaženo požadované hodnoty Epit / 2 na kolektoru.

Kolektorový rezistor R2 je nastaven jako podmínka problému, protože kolektorový proud a zisk kaskády jako celku závisí na jeho hodnotě: čím větší je odpor rezistoru R2, tím vyšší je zesílení. Ale s tímto odporem musíte být opatrní, kolektorový proud musí být menší než maximální přípustné tohoto typu tranzistor.

Schéma je velmi jednoduché, ale tato jednoduchost mu dává negativní vlastnosti a tato jednoduchost něco stojí. Za prvé, zesílení kaskády závisí na konkrétní instanci tranzistoru: Při opravě jsem vyměnil tranzistor, - znovu vyberte offset, uveďte jej do pracovního bodu.

Za druhé, z okolní teploty, - se zvyšující se teplotou vzrůstá zpětný kolektorový proud Iko, což vede ke zvýšení kolektorového proudu. A kde je tedy polovina napájecího napětí na kolektoru Epit / 2, stejný pracovní bod? V důsledku toho se tranzistor ještě více zahřeje, načež selže. Zbavit se této závislosti nebo ji alespoň minimalizovat v tranzistorový stupeň zavést další prvky negativní zpětné vazby - OOS.

Obrázek 6 ukazuje obvod s pevným předpětím.

Obrázek 6

Zdálo by se, že dělič napětí Rb-k, Rb-e poskytne požadované počáteční předpětí kaskády, ale ve skutečnosti má taková kaskáda všechny nevýhody pevného proudového obvodu. Zobrazený obvod je tedy pouze variantou obvodu s pevným proudem znázorněného na obrázku 5.

Obvody s tepelnou stabilizací

Poněkud lepší je situace v případě aplikace schémat na obrázku 7.

Obrázek 7

V kolektorově stabilizovaném obvodu není předpětí R1 připojen k napájecímu zdroji, ale ke kolektoru tranzistoru. V tomto případě, pokud se zpětný proud zvyšuje s rostoucí teplotou, tranzistor se otevírá silněji, kolektorové napětí klesá. Tento pokles vede ke snížení předpětí aplikovaného na základnu přes R1. Tranzistor se začne zavírat, kolektorový proud klesne na přijatelnou hodnotu, obnoví se poloha pracovního bodu.

Je zcela zřejmé, že takové opatření stabilizace vede k určitému snížení zisku kaskády, ale to nevadí. Chybějící zesílení se zpravidla přidává zvýšením počtu zesilovacích stupňů. Ale taková ochrana životního prostředí vám umožňuje výrazně rozšířit rozsah provozních teplot kaskády.

Zapojení kaskády se stabilizací emitoru je poněkud složitější. Zesilovací vlastnosti takových kaskád zůstávají nezměněny v ještě širším teplotním rozsahu, než je tomu u okruhu stabilizovaného kolektorem. Ještě jedna věc nepopiratelná výhoda, - při výměně tranzistoru není nutné znovu volit provozní režimy kaskády.

Emitorový rezistor R4 zajišťující stabilizaci teploty také snižuje zesílení kaskády. Toto je pro stejnosměrný proud. Aby se eliminoval vliv rezistoru R4 na zesílení střídavý proud, odpor R4 je bočníkován kondenzátorem Ce, který představuje malý odpor pro střídavý proud. Jeho hodnota je určena frekvenčním rozsahem zesilovače. Pokud jsou tyto frekvence v zvukový rozsah, pak kapacita kondenzátoru může být od jednotek do desítek a dokonce stovek mikrofaradů. U rádiových frekvencí jsou to již setiny nebo tisíciny, ale v některých případech obvod funguje dobře i bez tohoto kondenzátoru.

Abychom lépe pochopili, jak funguje stabilizace emitoru, je nutné zvážit zapojení pro sepnutí tranzistoru se společným kolektorem OK.

Společný kolektorový obvod (CC) je znázorněn na obrázku 8. Tento obvod je kusem z obrázku 2 z druhé části článku, který ukazuje všechny tři spínací obvody tranzistorů.

Postavení 8

Zátěž stupně je emitorový rezistor R2, vstupní signál je přiváděn přes kondenzátor C1 a výstupní signál je přiváděn přes kondenzátor C2. Zde se můžete zeptat, proč se toto schéma nazývá OK? Koneckonců, pokud si vzpomeneme na obvod OE, pak je jasně vidět, že emitor je připojen ke společnému vodiči obvodu, vůči kterému je přiváděn vstupní signál a výstupní signál je odstraněn.

V obvodu OK je kolektor jednoduše připojen ke zdroji energie a na první pohled se zdá, že se vstupním a výstupním signálem nemá nic společného. Ale opravdu Zdroj EMF(baterie) má velmi malou vnitřní odpor, pro signál je to prakticky jeden bod, stejný kontakt.

Podrobněji je činnost OK obvodu vidět na obrázku 9.

Obrázek 9

Je známo, že pro křemíkové tranzistory napětí b-e přechod je v rozsahu 0,5 ... 0,7 V, takže to můžete vzít v průměru 0,6 V, pokud se nepustíte do výpočtů s přesností na desetiny procenta. Proto, jak je vidět na obrázku 9, výstupní napětí bude vždy menší než vstupní napětí pomocí Ub-e, konkrétně o stejných 0,6V. Na rozdíl od OE obvodu tento obvod vstupní signál neinvertuje, pouze jej opakuje, a dokonce jej snižuje o 0,6V. Tento obvod se také nazývá emitorový sledovač. Proč je takové schéma potřeba, jaké je jeho použití?

Obvod OK zesiluje proudový signál h21e krát, což znamená, že vstupní impedance obvodu je h21e krát větší než odpor v obvodu emitoru. Jinými slovy, bez obav ze spálení tranzistoru přiveďte napětí přímo na bázi (bez omezovacího odporu). Jednoduše vezměte základní kolík a připojte jej k napájecí liště +U.

Vysoká vstupní impedance umožňuje připojit vstupní zdroj s vysokou impedancí (komplexní impedance), jako je piezoelektrický snímač. Pokud je takový snímač připojen ke kaskádě podle schématu OE, pak nízká vstupní impedance této kaskády jednoduše „přistane“ signál snímače - „rádio nebude hrát“.

Charakteristickým rysem obvodu OK je, že jeho kolektorový proud Ik závisí pouze na zatěžovacím odporu a napětí zdroje vstupního signálu. Parametry tranzistoru zde v tomto případě nehrají vůbec žádnou roli. Takové systémy jsou údajně pokryty 100 % zpětná vazba napětím.

Jak je znázorněno na obrázku 9, proud v zátěži emitoru (také známý jako proud emitoru) In = Ik + Ib. Vezmeme-li v úvahu, že proud báze Ib je zanedbatelně malý ve srovnání s kolektorovým proudem Ik, můžeme předpokládat, že zatěžovací proud je roven kolektorovému proudu In = Ik. Proud v zátěži bude (Uin - Ube) / Rn. V tomto případě budeme předpokládat, že Ube je známé a vždy se rovná 0,6V.

Z toho vyplývá, že kolektorový proud Ik = (Uin - Ube) / Rn závisí pouze na vstupním napětí a odporu zátěže. Odolnost zátěže lze měnit v širokém rozsahu, není však nutné být nijak zvlášť horlivý. Když totiž místo Rn dáte hřebík – setinu, tak žádný tranzistor nepřežije!

Obvod OK umožňuje poměrně snadno měřit koeficient přenosu statického proudu h21e. Jak to udělat, je znázorněno na obrázku 10.

Obrázek 10.

Nejprve změřte zatěžovací proud, jak je znázorněno na obrázku 10a. V tomto případě nemusí být báze tranzistoru nikam připojována, jak je znázorněno na obrázku. Poté se změří základní proud podle obrázku 10b. Měření by měla být v obou případech provedena ve stejných množstvích: buď v ampérech, nebo v miliampérech. Napájecí napětí a zátěž musí zůstat stejné pro obě měření. Pro zjištění koeficientu přenosu statického proudu stačí vydělit zatěžovací proud základním proudem: h21e ≈ In / Ib.

Je třeba poznamenat, že se zvýšením zatěžovacího proudu h21e poněkud klesá a se zvýšením napájecího napětí se zvyšuje. Emitorové sledovače jsou často zabudovány v push-pull obvodu pomocí komplementárních párů tranzistorů, což umožňuje zvýšit výstupní výkon zařízení. Takový sledovač emitoru je znázorněn na obrázku 11.

Obrázek 11.

Obrázek 12.

Zařazení tranzistorů podle schématu se společnou základnou O

Takový obvod poskytuje pouze napěťový zisk, ale má lepší frekvenční vlastnosti ve srovnání s obvodem OE: stejné tranzistory mohou pracovat při více vysoké frekvence. Hlavní aplikací OB obvodu jsou anténní zesilovače řad UHF. Systém anténní zesilovač zobrazeno na obrázku 12.

tranzistor nazývané polovodičové zařízení určené k zesilování a generování elektrických oscilací. Co je tedy tranzistor? - Je to krystal umístěný v pouzdře vybaveném vývody. Krystal je vyroben z polovodičového materiálu. Polovodiče zaujímají z hlediska svých elektrických vlastností určitou mezipolohu mezi proudovými vodiči a proudovými nevodiči (izolátory).

Malý krystal polovodičového materiálu (polovodič) je po příslušném technologickém zpracování schopen měnit svou elektrickou vodivost ve velmi širokém rozsahu, když na něj působí slabé elektrické oscilace a konstantní předpětí.

Krystal je umístěn v kovovém nebo plastovém pouzdře a je opatřen třemi vývody, tvrdými nebo měkkými, připojenými k odpovídajícím zónám krystalu. Kovové pouzdro má někdy vlastní vývod, ale častěji je ke skříni připojena jedna ze tří elektrod tranzistoru.

V současné době se používají dva typy tranzistorů - bipolární a polní. Jako první se objevily bipolární tranzistory, které jsou nejpoužívanější. Proto se jim obvykle říká jednoduše tranzistory. Tranzistory s efektem pole se objevily později a stále se používají méně často než bipolární.

bipolární tranzistory

bipolární tranzistory nazývá se proto, že se v nich tvoří elektrický proud elektrické náboje pozitivní a negativní polarita. Pozitivní nosiče náboje se nazývají díry, negativní náboje jsou neseny elektrony. Bipolární tranzistor používá krystal germania nebo křemíku, hlavní polovodičové materiály používané k výrobě tranzistorů a diod.

Proto se tranzistory nazývají jeden křemík, jiný - germanium. Pro oba typy bipolární tranzistory mají své vlastní charakteristiky, které se obvykle berou v úvahu při navrhování zařízení.

Pro výrobu krystalu se používá ultračistý materiál, ke kterému se přidávají speciální přísně dávkované; nečistoty. Určují vzhled v krystalu vodivosti v důsledku děr (p-vodivost) nebo elektronů (n-vodivost). Vznikne tak jedna z elektrod tranzistoru, zvaná báze.

Pokud se nyní do povrchu základního krystalu jednou nebo jinou technologickou metodou zavedou speciální nečistoty, změní se typ vodivosti báze na obrácenou tak, že těsně přiléhající zóny n-p-n nebo p-n-p a připojte vodiče ke každé zóně, vznikne tranzistor.

Jedna z krajních zón se nazývá emitor, tedy zdroj nosičů náboje a druhá se nazývá kolektor, kolektor těchto nosičů. Oblast mezi emitorem a kolektorem se nazývá báze. Terminály tranzistoru jsou obvykle pojmenovány podobně jako jeho elektrody.

Zesilovací vlastnosti tranzistoru se projevují tím, že pokud se nyní na emitor a bázi aplikuje malé množství elektrické napětí- vstupním signálem, pak v obvodu kolektor-emitor poteče proud, jehož tvar opakuje vstupní proud vstupního signálu mezi bází a emitorem, ale v hodnotě mnohonásobně větší.

Pro normální operace tranzistor, nejprve je nutné přivést napájecí napětí na jeho elektrody. V tomto případě by se napětí na bázi vzhledem k emitoru (toto napětí se často nazývá předpětí) mělo rovnat několika desetinám voltu a na kolektoru vzhledem k emitoru - několika voltům.

Zařazení do řetěz n-p-n a p-n-p tranzistory se liší pouze polaritou kolektorového napětí a předpětím. Křemík a germaniové tranzistory stejné struktury se liší pouze hodnotou předpětí. U křemíku je to asi o 0,45 V více než u germania.

Rýže. 1

Na Obr. 1 ukazuje konvenční grafické označení tranzistorů obou struktur vyrobených na bázi germania a křemíku a typické předpětí. Elektrody tranzistorů jsou označeny prvními písmeny slov: emitor - E, báze - B, kolektor - K.

Předpětí (nebo, jak se říká, režim) je zobrazeno vzhledem k emitoru, ale v praxi je napětí na elektrodách tranzistoru indikováno vzhledem ke společnému vodiči zařízení. Společným vodičem v zařízení a v obvodu je vodič galvanicky spojený se vstupem, výstupem a často i se zdrojem energie, tedy společný se vstupem, výstupem a zdrojem energie.

Zesilovací a další vlastnosti tranzistorů se vyznačují řadou elektrické parametry, z nichž nejdůležitější jsou popsány níže.

Statický základní přenosový poměr h 21E ukazuje, kolikrát je kolektorový proud bipolárního tranzistoru větší než proud jeho báze, která tento proud způsobila. U většiny typů tranzistorů se může číselná hodnota tohoto koeficientu od instance k instanci lišit od 20 do 200. Existují tranzistory s menší hodnotou - 10 ... 15 a s velkou - až 50 ... 800 (nazývají se superzesilovací tranzistory).

Často se tomu věří dobré výsledky lze získat pouze s tranzistory, které mají velká důležitost h 21e. Praxe však ukazuje, že s dovedným designem zařízení je docela možné vyjít s tranzistory s h 2 l Oe, které se rovnají pouze 12 ... 20. Většina konstrukcí popsaných v této knize může sloužit jako příklad.

Frekvenční vlastnosti tranzistoru zohledňuje skutečnost, že tranzistor je schopen zesilovat elektrické signály s frekvencí nepřesahující limit definovaný pro každý tranzistor. Frekvence, při které tranzistor ztrácí své zesilovací vlastnosti, se nazývá mezní frekvence zesílení tranzistoru.

Aby tranzistor poskytoval výrazné zesílení signálu, je nutné, aby maximální pracovní frekvence signálu byla alespoň 10 ... 20 krát menší než mezní frekvence f t tranzistoru. Například pro efektivní zesílení nízkofrekvenční signály (do 20 kHz) používají nízkofrekvenční tranzistory, jejichž mezní frekvence není menší než 0,2 ... 0,4 MHz.

Pro zesílení signálů rozhlasových stanic dlouhovlnných a středovlnných rozsahů vln (frekvence signálu není vyšší než 1,6 MHz) jsou vhodné pouze vysokofrekvenční tranzistory s mezní frekvencí alespoň 16 ... 30 MHz.

Maximální povolený ztrátový výkon je maximální výkon, který může tranzistor rozptýlit po dlouhou dobu bez nebezpečí poruchy. V referenčních knihách o tranzistorech obvykle uvádějí maximální přípustný výkon kolektoru Yakmax, protože v obvodu kolektor-emitor se uvolňuje největší výkon a pracuje největší proud a napětí.

Proudy báze a kolektoru, protékající krystalem tranzistoru, jej ohřívají. Krystal germania může normálně fungovat při teplotě nejvýše 80 a křemíkový - ne více než 120 ° C. Teplo, které se uvolňuje v krystalu, je odváděno do okolí přes pouzdro tranzistoru a také přes přídavný chladič (radiátor), který je dodatečně přiváděn do tranzistorů vysoký výkon.

Podle účelu se vyrábí tranzistory nízkého, středního a vysokého výkonu. Nízký výkon používaný hlavně pro zesílení a konverzi slabé signály nízké a vysoké frekvence, výkonné - v konečných fázích zesílení a generování elektrických kmitů nízkých a vysokých frekvencí.

Zesilovací schopnosti stupně na bipolárním tranzistoru nezávisí pouze na tom, jaký má výkon, ale jak moc je který konkrétní tranzistor vybrán, v jakém režimu provozu při střídavém a stejnosměrný proud funguje (zejména jaký je kolektorový proud a napětí mezi kolektorem a emitorem), jaký je poměr pracovní frekvence signálu a mezní frekvence tranzistoru.

Co je to tranzistor s efektem pole

Tranzistor s efektem pole je polovodičové zařízení, ve kterém se řízení proudu mezi dvěma elektrodami, tvořeného usměrněným pohybem nosičů náboje děr nebo elektronů, provádí elektrickým polem vytvořeným napětím na třetí elektrodě.

Elektrody, mezi kterými protéká řízený proud, se nazývají source a drain a za zdroj se považuje elektroda, ze které vystupují (exspirují) nosiče náboje.

Třetí, řídící, elektroda se nazývá brána. Vodivá část polovodičového materiálu mezi zdrojem a kolektorem se běžně nazývá kanál, proto je jiný název pro tyto tranzistory kanál. Působením hradlového napětí "vzhledem ke zdroji se odpor kanálu" mění, a tím i proud skrz něj.

V závislosti na typu nosičů náboje se rozlišují tranzistory n-kanál nebo p-kanál. V n-kanálových kanálech je kanálový proud způsoben řízeným pohybem elektronů a v p-kanálech je způsoben dírami. V souvislosti s touto vlastností tranzistorů s efektem pole se někdy také nazývají unipolární. Tento název zdůrazňuje, že proud v nich je tvořen nositeli pouze jednoho znaku, který odlišuje tranzistory s efektem pole od bipolárních.

Pro výrobu tranzistorů s efektem pole se používá především křemík, což je spojeno se zvláštnostmi technologie jejich výroby.

Hlavní parametry tranzistorů s efektem pole

Strmost vstupní charakteristiky S neboli dopředná vodivost Y 21 udává, o kolik miliampérů se změní proud kanálu, když se vstupní napětí mezi hradlem a zdrojem změní o 1 V. Proto se hodnota strmosti vstupní charakteristiky určuje v mA / V, stejně jako strmost charakteristiky rádiových elektronek.

Moderní tranzistory s efektem pole mají transkonduktanci od desetin do desítek a dokonce stovek miliampérů na volt. Je zřejmé, že čím větší je sklon, tím větší zisk může poskytnout tranzistor s efektem pole. Ale velkým hodnotám strmosti odpovídá vysoký proud kanál.

V praxi se proto obvykle volí takový kanálový proud, při kterém je na jedné straně dosaženo požadovaného zesílení a na druhé straně je zajištěna potřebná účinnost ve spotřebě proudu.

Frekvenční vlastnosti tranzistoru s efektem pole, stejně jako bipolárního, jsou charakterizovány hodnotou mezní frekvence. Tranzistory s efektem pole jsou také rozděleny na nízkofrekvenční, středofrekvenční a vysokofrekvenční a také pro získání velkého zisku maximální frekvence signál by měl být alespoň 10...20 krát menší než mezní frekvence tranzistoru.

Maximální přípustný konstantní ztrátový výkon tranzistoru s efektem pole se určuje přesně stejným způsobem jako u bipolárního. Průmysl vyrábí tranzistory s malým, středním a vysokým výkonem s efektem pole.

Pro normální činnost tranzistoru s efektem pole musí působit jeho elektrody konstantní tlak počáteční offset. Polarita předpětí je určena typem kanálu (n nebo p) a hodnota tohoto napětí je určena konkrétním typem tranzistoru.

Zde je třeba zdůraznit, že mezi tranzistory s efektem pole existuje mnohem větší rozmanitost krystalových konstrukcí než mezi bipolárními. Nejrozšířenější v amatérských konstrukcích a v průmyslových výrobcích jsou tranzistory s efektem pole s tzv. vestavěným kanálem a p-n přechod.

Jsou nenáročné na provoz, pracují v širokém frekvenčním rozsahu, mají vysokou vstupní impedanci, dosahující několika megaohmů na nízkých frekvencích a několika desítek nebo stovek kiloohmů na středních a vysokých frekvencích, v závislosti na sérii.

Pro srovnání uvádíme, že bipolární tranzistory mají mnohem nižší vstupní odpor, obvykle blízký 1 ... 2 kOhm, a pouze kroky na kompozitním tranzistoru mohou mít vyšší vstupní odpor. To je velká výhoda tranzistorů s efektem pole oproti bipolárním.

Na Obr. 2 znázorněno konvence tranzistory s efektem pole s vestavěným kanálem a p-n přechodem, stejně jako typické hodnoty předpětí. Závěry jsou označeny podle prvních písmen názvů elektrod.

Je charakteristické, že pro tranzistory s p-kanálem by mělo být kolektorové napětí vzhledem ke zdroji záporné a na hradle vzhledem ke zdroji kladné a pro tranzistor s n-kanálem naopak.

V průmyslových zařízeních a méně často v amatérském rádiu se také používají tranzistory s efektem pole s izolovaným hradlem. Takové tranzistory mají ještě vyšší vstupní impedanci a mohou pracovat na velmi vysokých frekvencích. Mají však významnou nevýhodu - nízkou elektrickou pevnost izolované brány.

Na jeho poruchu a poruchu tranzistoru úplně stačí i slabý náboj statické elektřiny, která je vždy na lidském těle, na oblečení, na nástroji.

Z tohoto důvodu by měly být svorky tranzistorů s izolovaným hradlem při skladování svázány měkkým holým drátem, ruce a nástroje musí být při montáži tranzistorů „uzemněny“ a používají se další ochranná opatření.

Literatura: Vasiliev V.A. Radioamatérské přijímače pro začátečníky (MRB 1072).

Původní název rádiové součástky je trioda, podle počtu kontaktů. Tento rádiový prvek je schopen ovládat proud v elektrický obvod, pod vlivem externího signálu. Unikátní vlastnosti se využívají v zesilovačích, oscilátorech a dalších podobných obvodových řešeních.

Označení tranzistorů na obvodu

V radioelektronice dlouho kralovaly elektronkové triody. Uvnitř uzavřené baňky, ve speciálním plynovém nebo vakuovém prostředí, byly umístěny tři hlavní součásti triody:

• Katoda
• Síť

Když byl do sítě přiveden řídicí signál s nízkým výkonem, mohly mezi katodou a anodou procházet nesrovnatelně velké hodnoty. Velikost pracovního proudu triody je mnohonásobně vyšší než řídicí proud. Právě tato vlastnost umožňuje radiovému prvku fungovat jako zesilovač.

Triody založené na radiových elektronkách pracují poměrně efektivně, zvláště když vysoký výkon. Rozměry však neumožňují jejich použití v moderních kompaktních zařízeních.

Představ si mobilní telefon nebo kapesní přehrávač vyrobený na takových prvcích.

Druhým problémem je stravování. Pro normální fungování, katoda musí být silně zahřátá, aby mohla začít emise elektronů. Ohřev spirály vyžaduje hodně elektřiny. Vědci po celém světě proto vždy usilovali o vytvoření kompaktnějšího zařízení se stejnými vlastnostmi.

První vzorky se objevily v roce 1928 a v polovině minulého století byla představena funkční polovodičová trioda vyrobená bipolární technologií. Za ním trčel název „tranzistor“.

Co je to tranzistor?

Tranzistor - polovodičové elektrické zařízení s pouzdrem nebo bez něj, se třemi kontakty pro ovládání a ovládání. Hlavní vlastnost je stejná jako u triody – změna parametrů proudu mezi pracovními elektrodami pomocí řídicího signálu.

Vzhledem k absenci potřeby zahřívání tranzistory vynakládají malé množství energie na zajištění vlastního výkonu. A kompaktní rozměry pracovního polovodičového krystalu umožňují použití rádiové součásti v malých strukturách.

Vzhledem k nezávislosti na pracovním prostředí lze polovodičové krystaly používat jak v samostatném obalu, tak v mikroobvodech. Spolu se zbytkem rádiových prvků jsou tranzistory pěstovány přímo na jediném krystalu.

Vynikající mechanické vlastnosti polovodiče našly uplatnění v mobilních a přenosných zařízeních. Tranzistory jsou necitlivé na vibrace, ostré otřesy. Mají dobrou teplotní odolnost (při velkém zatížení se používají chladicí radiátory).

Tranzistor(tranzistor) - polovodičový prvek se třemi vodiči (obvykle), z nichž jeden ( kolektor) je aplikován silný proud a na druhé straně ( základna) slabý ( řídící proud). Při určité síle řídicího proudu se „ventil otevře“ a proud od sběratele začne proudit na třetí výstup ( emitor).

To znamená, že tranzistor je druh ventil, který při určité síle proudu prudce sníží odpor a pustí proud dále (od kolektoru k emitoru) Děje se tak proto, že za určitých podmínek ho díry, které mají elektron, ztrácejí přijetím nového a tak dále v kruhu. Pokud na bázi není aplikován žádný elektrický proud, pak bude tranzistor ve vyváženém stavu a nepropustí proud do emitoru.

V moderních elektronických čipech počet tranzistorů miliardy. Používají se především pro výpočty a skládají se ze složitých vztahů.

Polovodičové materiály používané hlavně v tranzistorech jsou: křemík, arsenid gallia A germanium. Existují také tranzistory uhlíkové nanotrubice, průhledný pro displeje LCD A polymerní(nejslibnější).

Typy tranzistorů:

Bipolární- tranzistory, ve kterých mohou být nosiče náboje jak elektrony, tak "díry". Proud může protékat jako směrem k emitoru, a směrem ke kolektoru. Pro řízení průtoku se používají určité řídicí proudy.

- běžná zařízení, ve kterých je elektrický tok řízen pomocí elektrického pole. To znamená, že když se vytvoří větší pole, zachytí se jím více elektronů a nemůže přenášet náboje dále. To znamená, že je to druh ventilu, který může změnit množství přeneseného náboje (pokud je řízen tranzistor s efektem pole p-n— přechod). Charakteristickým rysem těchto tranzistorů je vysoké vstupní napětí a vysoké napěťové zesílení.

Kombinovaný- tranzistory s kombinovanými odpory nebo jiné tranzistory ve stejném pouzdru. Slouží k různým účelům, ale hlavně ke zvýšení proudového zisku.

Podtypy:

Bio-tranzistory- jsou založeny na biologických polymerech využitelných v lékařství, biotechnologii bez poškození živých organismů. Studie byly provedeny na bázi metaloproteinů, chlorofylu A (získaného ze špenátu), viru tabákové mozaiky.

Jednoelektronové tranzistory- byly poprvé vytvořeny ruskými vědci v r 1996. Na rozdíl od svých předchůdců mohly pracovat při pokojové teplotě. Princip činnosti je podobný tranzistoru s efektem pole, ale je jemnější. Vysílač signálu je jeden nebo více elektronů. Tento tranzistor se také nazývá nano- a kvantový tranzistor. S pomocí této technologie v budoucnu očekávají vytvoření tranzistorů o velikosti menší než 10 nm, na základě grafen.

K čemu slouží tranzistory?

jsou použity tranzistory zesilovací obvody, lampy, elektromotory a další zařízení v případě potřeby rychlá změna aktuální nebo pozice navypnuto. Tranzistor je schopen omezit proud resp hladce nebo metodou puls—pauza. Druhý se častěji používá pro ovládání. Pomocí silného zdroje energie ji vede skrz sebe a reguluje ji slabým proudem.

Pokud proudová síla nestačí k zapnutí tranzistorového obvodu, pak více tranzistorů s větší citlivostí, zapojené kaskádovitě.

Výkonové tranzistory zapojené v jednom nebo více pouzdrech se používají v plně digitálních zesilovačích založených na. Často potřebují dodatečné chlazení . Ve většině schémat fungují klíčový režim(v režimu přepínání).

Používají se také tranzistory v energetických systémech digitální i analogové základní desky , grafické karty, Zásoby energie& atd ).

Centrální procesory, také sestávají z milionů a miliard tranzistorů zapojených v určitém pořadí pro specializované výpočetní.

Každá skupina tranzistorů určitým způsobem zakóduje signál a předá jej dále ke zpracování. Všechny typy a ROM paměti jsou také tvořeny tranzistory.

Všechno úspěchy mikroelektroniky by bylo prakticky nemožné bez vynálezu a použití tranzistorů. Je těžké si představit alespoň jedno elektronické zařízení bez alespoň jednoho tranzistoru.

V tomto článku se pokusíme popsat princip fungování Nejběžnějším typem tranzistoru je bipolární tranzistor. bipolární tranzistor je jedním z hlavních aktivních prvků radioelektronických zařízení. Jeho účelem je zvýšit výkon elektrický signál přichází na svůj vstup. Zesílení výkonu se provádí pomocí externího zdroje energie. Tranzistor je elektronická součástka se třemi svorkami.

Konstrukční prvek bipolárního tranzistoru

Pro výrobu bipolárního tranzistoru je potřeba polovodič děrového nebo elektronického typu vodivosti, který se získá difúzí nebo fúzí s akceptorovými nečistotami. V důsledku toho se na obou stranách základny vytvářejí oblasti s polárními typy vodivosti.

Bipolární tranzistory podle vodivosti jsou dvou typů: n-p-n a p-n-p. Pravidla provozu, kterým podléhá bipolární tranzistor s vodivostí n-p-n (pro p-n-p je nutné změnit polaritu přiváděného napětí):

1. Kladný potenciál na kolektoru je důležitější než na emitoru.
2. Každý tranzistor má své maximum platné parametry Ib, Ik a Uke, jejichž přebytek je v zásadě nepřijatelný, protože to může vést ke zničení polovodiče.
3. Svorky báze-emitor a báze-kolektor fungují jako diody. Dioda ve směru báze-emitor je zpravidla otevřená a ve směru báze-kolektor je předpětí v opačném směru, to znamená, že příchozí napětí interferuje s tokem. elektrický proud skrze něj.
4. Pokud jsou splněny body 1 až 3, pak je proud Ik přímo úměrný proudu Ib a má tvar: Ik = he21*Ib, kde he21 je proudový zisk. Toto pravidlo charakterizuje hlavní kvalitu tranzistoru, totiž to, že malý proud báze řídí silný kolektorový proud.

U různých bipolárních tranzistorů stejné řady se index he21 může zásadně měnit od 50 do 250. Jeho hodnota závisí také na protékajícím kolektorovém proudu, napětí mezi emitorem a kolektorem a na okolní teplotě.

Pojďme si prostudovat pravidlo číslo 3. Z toho vyplývá, že napětí přivedené mezi emitor a bázi by se nemělo výrazně zvyšovat, protože pokud je napětí báze o 0,6 ... 0,8 V větší než emitor (propustné napětí diody), pak se objeví extrémně velký proud. V pracovním tranzistoru jsou tedy napětí na emitoru a bázi vzájemně propojena podle vzorce: Ub \u003d Ue + 0,6 V (Ub \u003d Ue + Ube)

Připomeňme ještě jednou, že všechny tyto body se týkají tranzistorů s vodivostí n-p-n. U typu p-n-p by mělo být vše obráceno.

Měli byste také věnovat pozornost skutečnosti, že kolektorový proud nemá žádnou souvislost s vodivostí diody, protože kolektorová báze zpravidla vstupuje do diody zpětné napětí. Navíc proud protékající kolektorem velmi málo závisí na potenciálu na kolektoru (tato dioda je podobná malému zdroji proudu)

Když je tranzistor zapnut v zesilovacím režimu, přechod emitoru je otevřený a přechod kolektoru je uzavřen. Toho se dosáhne připojením napájecích zdrojů.

Protože je přechod emitoru otevřený, bude jím procházet emitorový proud, vznikající přechodem děr z báze do emitoru, stejně jako elektrony z emitoru do báze. Proud emitoru tedy obsahuje dvě složky - díru a elektron. Vstřikovací poměr určuje účinnost emitoru. Vstřikování náboje se týká přesunu nosičů náboje ze zóny, kde byly dominantní, do zóny, kde se stávají vedlejšími.

V bázi se elektrony rekombinují a jejich koncentrace v bázi se doplňuje z plusu zdroje EE. V důsledku toho bude v elektrickém obvodu základny protékat spíše slabý proud. Zbývající elektrony, které se nestihly rekombinovat v bázi, se pod urychlujícím účinkem pole zablokovaného kolektorového přechodu jako menšinové nosiče přesunou do kolektoru a vytvoří kolektorový proud. Přenos nosičů náboje ze zóny, kde byly menší, do zóny, kde se stanou základními, se nazývá extrakce elektrických nábojů.